Análisis termodinámico de una Central Termoeléctrica de ciclo combinado Gas Vapor con el Programa EES

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN ESCUELA DE POSGRADO UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS. ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA DE CICLO COMBINADO GAS - VAPOR CON EL PROGRAMA EES.. Tesis presentada por el Maestro: CARLOS ALBERTO GORDILLO ANDIA. Para optar el Grado Académico de Doctor en Ciencias: con mención en Ingeniería en Energética. Asesor: Dr. Cibrian Dorian Valdivia Gutiérrez Arequipa – Perú 2019.

(2) RESUMEN El presente trabajo presenta un análisis de los ciclos combinados de gas y vapor desde un punto de vista termodinámico, en el diseño de las modernas plantas de energía eléctrica que se utilizan actualmente en el mundo. Como ejemplo de referencia de cálculo, se evalúa la aplicación a la Planta de Energía de 720 MW de Puerto Bravo instalada en la ciudad de MollendoArequipa, parte del Nodo de Energía del Sur de Perú. Esta Termo Central Eléctrica funciona en un ciclo simple, expandible a un ciclo combinado cuando el gas natural llegue a través del gasoducto. Todos los parámetros involucrados en el cálculo básico del ciclo proyectado se han tomado de manera combinada, presentando las mejoras actualizadas en las plantas modernas que se están instalando actualmente. El programa Engineering Equation Solver (EES) se utiliza como una herramienta de cálculo. Para el desarrollo de este trabajo, este programa permite administrar las variables que se presentan en el diseño de las centrales de ciclo combinado desde las más simples (un nivel de presión) hasta las más sofisticadas (tres niveles de presión con recalentamiento intermedio). En el programa EES se introducen los parámetros que intervienen en el cálculo de tal forma de encontrar las condiciones operativas óptimas de la Central, visualizando el comportamiento de las variables termodinámicas a través de los gráficos que se obtienen para el análisis toda la Central. Este trabajo constituye un primer paso en el estudio de las Centrales Térmicas de Ciclo Combinado para la generación eléctrica, basado en el análisis termodinámico. Palabras Claves: Termo Central Eléctrica, Ciclo simple, Ciclo combinado, Puerto Bravo, Nodo Energético, EES, Administrar las variables del ciclo, Condiciones operativas óptimas.. i.

(3) ABSTRACT The present work presents an analysis of the combined gas-steam cycles from a thermodynamic point of view, in the design of the modern Electric Power Plants currently used in the world. As an example of calculation reference, the application to the 720 MW Power Plant of Puerto Bravo installed in the city of Mollendo-Arequipa, part of the South of Peru Energy Node, is evaluated. This Electric Thermo Central works in a simple cycle, expandable to a combined cycle when natural gas arrives through the pipeline. All the parameters involved in the basic calculation of the projected cycle have been taken in a combined manner, presenting the updated improvements in the modern Plants that are currently being installed. The Equation Enginnering Solver Program (EES) is used as a calculation tool, for the development of this work, this Program allows to manage the variables that are presented in the design of the Combined Cycle Power Plants from the simplest (one level of pressure) even the most sophisticated (three pressure levels with intermediate reheat). The EES Program introduces the parameters that are involved in the calculation in such a way as to search for optimal operating conditions, visualizing the behavior of the thermodynamic variables, the temperature profiles as well as the graphs that will be used for the analysis of the Plant. This work constitutes a first step in the study of Combined Cycle Thermal Power Plants for electrical generation, based on thermodynamic analysis. Keywords: Thermo Power Plant, Simple Cycle, Combined Cycle, Brave Port, Energy Node, EES, Manage cycle variables, Optimal operating conditions.. ii.

(4) AGRADECIMIENTO. Al terminar el presente trabajo que implica la realización de una tesis de doctorado, debo expresar mi agradecimiento a mis profesores rusos que me impartieron una sólida enseñanza contribuyendo en alguna medida a perfeccionar esta propuesta. También va mi reconocimiento a los directivos de la Central de Puerto Bravo en Mollendo que gracias a sus visitas guiadas contribuyeron a tener una visión panorámica completa del funcionamiento de una Planta de Ciclo Combinado gas- vapor a fin de que el trabajo de investigación teórico y utilizando el Programa EES también sea un aporte práctico en su aplicación, todo ello con la finalidad de contribuir en el estudio de optimización del funcionamiento de este tipo de Centrales Eléctricas y en especial la de Puerto Bravo en Mollendo conformante del Nodo energético del Sur del Perú. También quiero resaltar el apoyo incondicional de mi familia para lograr este propósito, ya que muchas horas dedicadas a este estudio me mantuvo alejado del calor familiar. El reconocimiento y agradecimiento a mis hijos por su permanente aliento y a mi esposa, por lo que significó apartarme de mis obligaciones en casa para dedicarme por completo a la culminación de este trabajo. Con ellos quiero compartir la inmensa satisfacción que siento al haber logrado culminar esta tarea pendiente y postergada durante varios años y que sin duda servirá de ejemplo para las generaciones venideras. Finalmente, mi agradecimiento a todas las personas que de una u otra manera me alentaron para terminar con éxito este trabajo en especial a mi asesor el Dr. Cibrián Valdivia Gutiérrez y a los colegas Docentes de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, quienes en discusiones técnicas logré sacar buenas conclusiones del debate. A todos muchas gracias y que Dios los bendiga.. iii.

(5) DEDICATORIA Este trabajo de investigación se lo dedicó a mis hijos para despertar en ellos la pasión por la investigación, para alentarlos a continuar con su aprendizaje y para motivarlos a seguir creciendo. profesionalmente.. También. lo. dedico con mucho cariño y afecto mi esposa, por su comprensión y apoyo constante para culminar con esta tarea. Pero quiero resaltar una dedicación muy especial a mi nieta Alondra, muy pequeña ella, pero en algunos años adelante quiero que sepa de esta dedicación ya que trajo a mi vida una ilusión de esperanza, amor y unión de mi familia, ella motivó a que culmine este trabajo postergado por muchos años para dejarle un ejemplo y señalarle el camino de la superación permanente.. iv.

(6) ÍNDICE RESUMEN .......................................................................................................... i ABSTRACT........................................................................................................ ii AGRADECIMIENTO ......................................................................................... iii DEDICATORIA ................................................................................................. iv ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................... xi ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................... xii PRESENTACIÓN ........................................................................................... xvii. CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO 1.1. EL CONTEXTO DEL PROBLEMA Y SU RELEVANCIA ............................. 1 1.2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................... 1 1.3. JUSTIFICACION DEL USO DEL EES EN EL TRABAJO ............................ 2 1.4. DELIMITACIÓN DE LAS FRONTERAS DE TRABAJO ............................... 3 1.5. OBJETIVO GENERAL................................................................................. 3 1.6. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................... 3 1.7. HIPÓTESIS ................................................................................................. 4 1.8. VARIABLES ................................................................................................ 4. CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1. FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS DEL CICLOCOMBINADO GAS-VAPOR................................................................................................ 6 2.2. EL CICLO DE CARNOT ............................................................................ 11 2.3. EL CICLO DE LAS TURBINAS A GAS ..................................................... 13 2.4. EL CICLO DE LAS TURBINAS A VAPOR ................................................ 20 2.4.1. Ciclos de turbinas de vapor con recalentamientos intermedios ....... 24 2.4.2. Ciclos Regenerativos de turbina de vapor ....................................... 25 2.4.3. Empleo de presiones de trabajo supercríticas en ciclos de turbinas de vapor ............................................................................................... 26 2.4.4. Desviación del ciclo de potencia con turbinas a gas real del ideal ... 28. v.

(7) 2.4.5. Desviación del ciclo de potencia con turbinas a vapor real del ideal ................................................................................................. 29 2.5. LOS CICLOS COMBINADOS ................................................................... 31 2.5.1. Definición ......................................................................................... 31 2.5.2 Reseña histórica ............................................................................... 33 2.5.3. Propiedades y ventajas del ciclo combinado ................................... 35 2.6. OTROS ARREGLOS DEL CICLO COMBINADO ...................................... 40 2.6.1. Ciclos con post-combustión ............................................................. 40 2.6.2. Repotenciación ................................................................................ 40 2.7. EFICIENCIA DEL CICLO COMBINADO ................................................... 41 2.7.1. Expresión de la eficiencia ................................................................ 41 2.7.2 Rendimiento de los Ciclos Combinados gas-vapor con poscombustión .................................................................................. 44 2.8. CALDERA RECUPERADORA DE CALOR CON DIFERENTES NIVELES DE PRESIÓN Y DE TEMPERATURA ....................................................... 46 2.8.1. Características y aspectos importantes ........................................... 46 2.8.2. Ciclos Combinados gas-vapor con un nivel de presión: Parámetros característicos. ................................................................................ 46 2.8.2.1. Presión de vapor ........................................................................... 48 2.8.2.2. Temperatura de vapor ................................................................... 51 2.8.2.3. Pinch point .................................................................................... 52 2.8.2.4. Approach temperatura .................................................................. 53 2.8.2.5. Caída de presión en el sobrecalentador ....................................... 54 2.8.2.6. Caída de presión en el economizador ........................................... 54 2.8.2.7. Temperatura del agua de alimentación ......................................... 54 2.8.3. Ciclo Combinado gas-vapor con dos niveles de presión: Parámetros característicos ................................................................................. 56 2.8.3.1. Presiones de vapor ....................................................................... 58 2.8.3.2. Temperatura de vapor ................................................................... 59 2.8.3.3. Approach point .............................................................................. 61 2.8.3.4. Pinch point .................................................................................... 61 2.8.3.5. Caída de presión en los sobrecalentadores .................................. 62. vi.

(8) 2.8.4. Ciclo Combinado gas-vapor con tres niveles de presión: Parámetros característicos ................................................................................. 62 2.8.4.1. Presión de vapor ........................................................................... 63 2.8.4.2. Temperatura del vapor .................................................................. 65 2.8.4.3. Pinch point y approach point ......................................................... 66 2.8.4.4. Caída de presión en sobrecalentadores ....................................... 66 2.8.5 Ciclo Combinado gas-vapor con recalentamiento ............................. 66 2.8.6. Ciclo Combinado Gas- Vapor con recalentamiento y alta presión de un solo paso. ................................................................................... 70. CAPÍTULO III TECNOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS CONSTITUTIVOS PRINCIPALES Y CONFIGURACIONES DE LOS CICLOS COMBINADOS GAS-VAPOR 3.1. LA TURBINA DE GAS ............................................................................... 74 3.1.1. Optimización de las turbinas de gas ................................................ 75 3.1.2. Puntos débiles de las turbinas de gas.............................................. 76 3.2. LA TURBINA DE VAPOR .......................................................................... 84 3.2.1. Ciclo de trabajo y equipos principales en un ciclo de Rankine de una central de ciclo combinado gas-vapor. ............................................ 84 3.2.2. Tecnología de las Turbinas de vapor empleadas en las centrales de ciclo combinado gas-vapor .............................................................. 85 3.3. LA CALDERA DE RECUPERACIÓN DE CALOR ..................................... 89 3.3.1. Calderas de recuperación de calor con y sin poscombustión. ......... 90 3.3.2. Calderas de recuperación de calor horizontal y vertical ................... 90 3.4. CONFIGURACIONES BÁSICAS EMPLEADAS ........................................ 95 3.5. CONSIDERACIONES DE DISEÑO ADICIONALES .................................. 99 3.5.1. Procedimiento global de selección del diseño. ................................ 99 3.5.2. Las necesidades del cliente ............................................................. 99 3.5.3. Factores condicionados por el lugar de implantación. ................... 100 3.5.4. Concepción del proceso de diseño. ............................................... 103 3.5.5. Influencia del arreglo del ciclo. ....................................................... 103 3.5.6. Los Combustibles........................................................................... 104. vii.

(9) 3.5.7. Consideraciones ambientales. ....................................................... 106 3.5.8. Definición de los parámetros y prestaciones del ciclo combinado . 109 3.5.9. Costo de la electricidad producida. ................................................ 112. CAPÍTULO IV METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 4.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN SEGÚN FINALIDAD .................................... 114 4.2. ENFOQUE............................................................................................... 114 4.3. MÉTODO DE LA INVESTIGACIÓN ........................................................ 114 4.4. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................... 115 4.5. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES ............................................. 116. CAPITULO V ECUACIONES Y CONSIDERACIONES REALIZADAS PARA LA INCLUSIÓN EN EL PROGRAMA EES 5.1. EL FILTRO .............................................................................................. 118 5.2. EL COMPRESOR ................................................................................... 118 5.2.1. Presión y temperatura de salida. ................................................... 119 5.2.2. Trabajo total requerido por un compresor. ..................................... 120 5.3. LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN ............................................................ 121 5.3.1. Cálculo del poder calorífico superior del gas natural ..................... 121 5.4. LA TURBINA DE GAS ............................................................................. 123 5.4.1. Hallando la potencia en el eje: ....................................................... 124 5.5. LA TURBINA DE VAPOR ........................................................................ 124 5.5.1. Caldera recuperadora de calor ...................................................... 129 5.5.2. El desaireador ................................................................................ 132 5.5.3. El condensador .............................................................................. 133 5.5.4. La bomba ....................................................................................... 136 5.6. EFICIENCIA DEL CICLO COMBINADO ................................................. 137. viii.

(10) CAPÍTULO VI PROYECTO NODO ENERGÉTICO EN EL SUR DEL PERÚ 6.1. RESUMEN .............................................................................................. 140 6.2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .......................................................... 142 6.2.1. Antecedentes ................................................................................. 142 6.2.2. Objetivo del proyecto ..................................................................... 142 6.2.3. Descripción del proyecto ................................................................ 143 6.2.4. Modalidad del proyecto .................................................................. 144 6.2.5. Ubicación del proyecto ................................................................... 144 6.2.6. Área de influencia del proyecto ...................................................... 145 6.2.7. Monto de inversión ......................................................................... 145 6.2.8. Entidad supervisora ....................................................................... 146 6.2.9. Beneficios y atractivos para el Inversionista .................................. 146. CAPÍTULO VII RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS A LA TERMOCENTRAL PUERTO BRAVO – NODO ENERGÉTICO DEL SUR MOLLENDO (720 MW) 7.1. ASPECTOS GENERALES ...................................................................... 148 7.2 DATOS PARA EL CÁLCULO DE LA CENTRAL ...................................... 152 7.3. CÁLCULO DE LAS TEMPERATURAS DEL CICLO JOULE BRAYTON . 153 7.4. POTENCIA EN LOS EJES ...................................................................... 155 7.5. CÁLCULOS EN EL CICLO RANKINE ..................................................... 156 7.5.1. Cálculo de las entalpías del Ciclo Rankine .................................... 156 7.5.2. Selección de los niveles de presión en el HRSG ........................... 157 7.5.3. Balance HRSG: .............................................................................. 161 7.5.4. Balance en el Desgasificador: ........................................................ 161 7.5.5. Balance en la Turbina a Vapor ....................................................... 161 7.6. CÁLCULO DE LAS EFICIENCIAS .......................................................... 162 7.6.1. En la Turbina a Gas ....................................................................... 162 7.6.2. En la Turbina a Vapor .................................................................... 162 7.6.3. Eficiencia del Ciclo Combinado ...................................................... 162. ix.

(11) 7.7 SECUENCIA DE LOS DATOS Y ECUACIONES PLANTEADAS EN EL PROGRAMA EES .................................................................................... 163 7.8. GRÁFICOS OBTENIDOS DEL PROGRAMA .......................................... 169 7.9. RESULTADOS DEL PROGRAMA SOBRE EL CASO ESTUDIO DE LA CENTRAL TERMO ELÉCTRICA DE SAMAY I ........................................ 173. CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA APÉNDICE. x.

(12) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 . Ventajas del gas seco sobre otros combustibles. 36. Tabla 2 : Balance de energía para las distintas conFig. ciones existentes en centrales de ciclo combinado gas-vapor.. 58. Tabla 3: Especificación de la caldera de recuperación de calor para un ciclo combinado. gas-vapor. con. dos. niveles. de. presión,. recalentamiento y alta presión de vapor .. 72. Tabla 4 : Valores que describe el nivel tecnológico de las actuales y futuras turbinas de gas.. 110. Tabla 5: Valores recomendados para el cálculo de la turbina a gas de un ciclo combinado40. 110. Tabla 6: Valores recomendados para el cálculo de la sección a vapor de recuperación de un ciclo combinado. 112. Tabla 7: Operacionalización de variables (Fuente propia). 116. Tabla 8 :Poder calorífico del gas de Camisea (Fuente propia). 122. Tabla 9 : Eficiencias de Carnot para plantas térmicas de gas (GT), vapor (ST) y ciclo combinado (CC). 138. Tabla 10: Características de la Turbina de Gas General Electric. 150. Tabla 11 : Temperatura calculadas del ciclo a gas Joule Brayton. 154. Tabla 12 : Propiedades termodinámicas de los diferentes estados en el ciclo a vapor de agua (Fuente propia) Tabla 13 : Datos ingresados al Programa EES. xi. 160 163.

(13) ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 1. Vista de una Central de Ciclo Combinado3. 7. Fig. 2. Matriz energética del Perú según su origen (2017) ............................... 11 Fig. 3. Representación del ciclo termodinámico de Carnot .............................. 12 Fig. 4 Elementos constitutivos principales de las turbinas de gas. Representación gráfica del trabajo ...................................................... 14 Fig. 5. Representación gráfica de los flujos de potencia generados en el proceso de expansión de la turbina de gas ......................................... 17 Fig. 6 Tendencia a la disminución de la temperatura del escape de la turbina de gas con el incremento de la relación de compresión del compresor. ........................................................................................... 19 Fig. 7 Esquema de principio y representación en un diagrama T- s de la combustión secuencial en las turbinas de gas. ................................... 19 Fig. 8 Esquema de una turbina a gas (Internet) ............................................... 20 Fig. 9 Representación en diagrama T- s del ciclo de las turbinas de vapor y de los equipos principales necesarios para su realización. ................. 22 Fig. 10 Representación en diagrama T- s de un ciclo de turbina de vapor con recalentamiento intermedio. ................................................................ 25 Fig. 11 Representación en diagramo T- s de un ciclo de turbina de vapor regenerativo y de los equipos principales necesarios para su realización. .......................................................................................... 26 Fig. 12 Comparación de la evolución del fluido en diagrama T- s de un ciclo de turbina de vapor sin recalentamiento para presiones de trabajo subcríticas y supercríticas. .................................................................. 27 Fig. 13 Turbina a vapor .................................................................................... 28 Fig. 14 Diagrama T- s de un ciclo Brayton real (Fuente propia) ....................... 29 Fig. 15 Diagramas T- s de un ciclo Rankine real (Fuente propia) .................... 30 Fig. 16. Ciclo combinado básico. Elementos constitutivos principales ............ 32 Fig. 17 Representación en un diagramo T - s de la evolución de los fluidos empleados en los ciclos combinados gas-vapor; así como de valores orientativos de los puntos de trabajo fundamentales. .......................... 33 Fig. 18 Diagrama del primer ciclo combinado para generación de potencia .... 34 xii.

(14) Fig. 19 Esquema térmico básico y de flujos de energía de un ciclo combinado gas-vapor. ............................................................................................ 42 Fig. 20 Justificación de la mejora de eficiencia del ciclo combinado gasvapor. Incremento de la temperatura media del foco caliente. ............ 44 Fig. 21 : Esquema de un ciclo combinado gas-vapor con un nivel de presión. Potencia bruta 404,5 MW Rendimiento bruto (PCI) 58,1%. ................. 47 Fig. 22 : Diagrama de flujo de energía de un ciclo combinado gas-vapor con un nivel de presión............................................................................... 48 Fig. 23 : Ciclo combinado gas-vapor con un nivel de presión. Relación entre la carga de la turbina de vapor; el rendimiento de la caldera de recuperación y la variación del contenido en humedad del vapor en la última rueda para diferentes presiones de vapor. ............................ 50 Fig. 24 : Diagrama de intercambio de energía entre los gases de escape y el agua-vapor de la caldera de recuperación en un ciclo combinado gas-vapor de un nivel de presión. ........................................................ 51 Fig. 25 : Ciclo combinado gas-vapor con un nivel de presión. Relación entre la carga de la turbina de vapor, el rendimiento de la caldera de recuperación y la variación del contenido en humedad del vapor en la última rueda para diferentes temperaturas de vapor ....................... 52 Fig. 26 : Ciclo con un nivel de presión. Relación existente entre pinch point, potencia relativa de la turbina de vapor y superficie de la caldera de recuperación de calor. ......................................................................... 53 Fig.. 27 Esquema de un ciclo combinado gas-vapor con dos niveles de presión. Potencia bruta 408,8 MW. Rendimiento bruto (PCI) 58,7%. .. 57. Fig. 28: Relación entre potencia en la turbina de vapor y presión de alta con la variación de la presión en el nivel de baja presión pal-a un ciclo combinado con dos niveles de presión. ............................................... 59 Fig. 29: Diagrama de transferencia de energía gas/agua-vapor en un ciclo combinado gas-vapor con dos niveles de presión. .............................. 60 Fig. 30 : Relación entre potencia de la turbina de vapor y temperaturas del vapor para un ciclo combinado gas-vapor con dos niveles de presión. ................................................................................................ 61. xiii.

(15) Fig.. 31: Esquema de un ciclo combinado gas-vapor con tres niveles de presión. Potencia bruta 410,8 MW Rendimiento bruto (PCI) 59,0% . .. 63. Fig.. 32 : Fig. 32. Influencia de la presión del vapor de baja presión en la potencia de la turbina de vapor y superficie de la caldera de recuperación de calor. ......................................................................... 64. Fig.. 33 : Relación entre potencia de la turbina de vapor y presiones de intermedia y alta. ................................................................................. 65. Fig. 34 : Potencia de la turbina de vapor ante variaciones de: ....................... 66 Fig. 35 : Relación entre la potencia de la turbina de vapor y temperatura de vapor principal ..................................................................................... 69 Fig.. 36 : Relación entre potencia, presión del vapor en alta presión y superficie de caldera para un ciclo combinado gas-vapor 3PR y 5 bar en nivel de baja presión. ...................................................................... 70. Fig. 37 : Transferencia de energía gas/agua-vapor en un ciclo combinado gas-vapor Con tres niveles de presión. ............................................... 71 Fig.. 38: Ciclo combinado gas-vapor con dos niveles de presión y recalentamiento con alta presión de un solo paso (once through). Potencia bruta 417,8 MW. Rendimiento bruto (PCI) 59,9%. ................ 73. Fig. 39 : Mejoras en el rendimiento de la turbina de gas con la relación de compresión para distintas geometrías y materiales de álabes. y. cierres. ................................................................................................. 79 Fig.. 40 : Variación del rendimiento y del consumo específico del ciclo combinado. gas-vapor. a. cargas. parciales. para. diferentes. suministradores de turbinas de gas la potencia: 400MW). .................. 81 Fig. 41 : Turbinas de gas de combustible dual SGT6-5000F . ....................... 83 Fig. 42 : Sección y estructura en cuerpos de una turbina de vapor ............... 85 Fig. 43 : HRSG .............................................................................................. 89 Fig.. 44 : Caldera de recuperación sin poscombustión de geometría vertical. ................................................................................................ 93. Fig. 45 : Ciclo combinado gas- vapor en conFig. ción 1 x 1 multieje .............. 95 Fig. 46 : Ciclo combinado gas-vapor en conFig. ción 1 x 1 multieje. .............. 96. xiv.

(16) Fig.. 47: Ciclo combinado gas-vapor en conFig. ción 1 x 1 monoeje (con generador en el extremo del eje). ........................................................ 97. Fig. 48 : Ciclo combinado gas-vapor en conFig. ción 2 x 1 ............................ 98 Fig. 49:. Compresor con extracciones de aire para refrigeración ............ 120 Fig. 50. Esquema para determinar la temperatura a la salida de la turbina de gas (Fuente propia) ..................................................................... 124 Fig. 51: Ciclo Rankine (Fuente propia) ........................................................ 125 Fig. 52 : Diagrama T-s del ciclo Rankine(Fuente propia) ............................. 126 Fig. 53: Diagrama T- s del Ciclo de Vapor de un sólo Nivel de Presión ....... 126 Fig. 54: Diagrama T- s de las irreversibilidades de la bomba y la turbina en el ciclo Rankine.................................................................................. 128 Fig. 55: Modelo en 3D del sistema de potencia de vapor ............................. 129 Fig.. 56: Perfil de temperaturas de una caldera recuperadora de calor; mostrando el approach point y el pinch point .................................... 131. Fig.. 57 : Diagrama T - s, Visualización del Proceso de Calentamiento a Presión Constante entre el Inicio del Evaporador de Presión Baja hasta el inicio del Evaporador del Presión Alta .................................. 132. Fig. 58 : El Desaireador (Fuente propia) ...................................................... 133 Fig. 59 : El Condensador .............................................................................. 134 Fig. 60 : Balance de energía en el condensador .......................................... 135 Fig. 61. Trabajo de las bombas .................................................................... 136 Fig. 62: Diagrama h – s indicando los diferentes estados para el cálculo ... 139 Fig. 63: Ubicación del Nodo Energético del sur del Perú ............................. 145 Fig. 64 : Construcción de la Termo-Central de Ilo ........................................ 146 Fig. 65. Planta ubicada en Mollendo costó US$ 380 millones ...................... 147 Fig. 66 Termo Central de Ilo terminada en ciclo simple ............................... 147 Fig.. 67 : Diagrama de Proceso de la Central de Ciclo Combinado del Proyecto ............................................................................................ 149. Fig. 68: Ficha técnica de los equipos de la Central de Puerto Bravo Mollendo ........................................................................................................... 151. xv.

(17) Fig.. 69: Diagrama de los proceso de la Central de Ciclo Combinado del Proyecto tomados de manera parcial: 2 turbinas a gas con su respectivo HRSG para una sola turbina a vapor ............................... 152. Fig.. 70 : Esquema de los equipos y diagrama T – s del ciclo a gas Joule Brayton .............................................................................................. 153. Fig. 71 Diagrama completo de la Central de Ciclo Combinado del Proyecto SAMAY I: 4 Turbinas a gas; 4 HRSG y 2 Turbinas a vapor ............... 156 Fig.. 72: Diagrama de los procesos de la parte del vapor indicando los diferentes estados y los niveles de presión seleccionados ................ 158. Fig. 73: . Diagrama T – s para el Ciclo Joule Brayton .................................. 169 Fig. 74: Diagrama h – s para el Ciclo Rankine ............................................. 169 Fig. 75 : Gráfico Eficiencia del Ciclo Combinado vs. la Relación de presiones del ciclo a gas para diferentes presiones de ingreso del vapor a la turbina de vapor ................................................................................. 170 Fig. 76: Gráfico Eficiencia del Ciclo Combinado vs. La temperatura máxima del ciclo para diferentes presiones de ingreso del vapor a la turbina de vapor............................................................................................. 170 Fig. 77: Gráfico Eficiencia del Ciclo Combinado vs. la calidad del vapor a la descarga de la turbina a vapor para diferentes presiones de ingreso del vapor a la turbina ............................................................ 171 Fig. 78: Gráfico Eficiencia del Ciclo Combinado vs. la Temperatura máxima del ciclo para diferentes Temperaturas de ingreso de aire al compresor .......................................................................................... 171 Fig. 79 : Gráfico Eficiencia del Ciclo Combinado vs. La Temperatura máxima del ciclo para diferentes relaciones de presión en el Ciclo Joule Brayton .............................................................................................. 172 Fig. 80 : Gráfico Eficiencia del Ciclo Combinado vs. calidad del vapor a la descarga de la turbina a vapor para diferentes relaciones de presión en el Ciclo Joule Brayton ................................................................... 172 Fig. 81: Planta de Ciclo Combinado terminada ............................................ 174. xvi.

(18) PRESENTACIÓN Señores miembros del Jurado, presento a ustedes la tesis: “ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA DE CICLO COMBINADO GAS-VAPOR CON EL PROGRAMA EES”. En esta tesis se plantea y estudia el tema de las Centrales Termoeléctricas de Ciclo Combinado; se abordará el panorama energético variando los diversos parámetros que rigen el comportamiento de estas Plantas; se definirán los principios y generalidades de los mismos, además de las características relevantes de las configuraciones adoptadas, que logre alcanzar las más altas eficiencias energéticas y a la vez disminuir la emisión de contaminantes a la atmósfera. La disponibilidad de recursos de combustibles fósiles convencionales en el futuro y el creciente costo de sus precios en el mercado, obliga a que los Ingenieros estudien cada día la manera en que podrían aumentar la eficiencia en la utilización de dichos recursos para convertirlos en energía eléctrica. Esto ha motivado la continua búsqueda de eficiencias térmicas más altas, lo que ha originado algunas innovaciones en los ciclos térmicos básicos de generación de potencia; dentro de los cuales predomina los ciclos de potencia con ciclos combinados. Los recientes desarrollos en la tecnología de las turbinas de gas, han hecho que el ciclo combinado de gas-vapor sea observado bajo una perspectiva económica muy atractiva. El Ciclo Combinado aumenta la eficiencia sin incrementar de modo apreciable la inversión inicial. En la actualidad muchas plantas de potencia nuevas operan con Ciclos Combinados y otras adaptan su funcionamiento convirtiéndose en ellas. En el presente trabajo se realiza un análisis, desde el punto de vista termodinámico del diseño de Centrales Eléctricas de Ciclo Combinado gasvapor aplicando el Programa EES, que es un Programa muy versátil y al alcance de muchos investigadores que pretenden contribuir a la línea de investigación. xvii.

(19) que se viene desarrollando en el sector térmico del área de Ingeniería Mecánica en la generación de energía eléctrica. La tesis está organizada en siete capítulos: En el Capítulo 1, se presenta el planteamiento metodológico. En el Capítulo 2, se presenta el marco teórico de los ciclos Combinados. En el Capítulo 3, se estudia la Tecnología de los elementos constitutivos de las Centrales Termoeléctricas de Ciclo Combinado. En el Capítulo 4, se detalla la Metodología de la Investigación seguida. En el Capítulo 5, se presentan las diferentes fórmulas que ingresarán al Programa EES para luego ver como varían estas y optimizar el ciclo. En el Capítulo 6, se detalla el Nodo energético del Sur del Perú, tomando como referencia de cálculo la Central de 720 MW de Puerto Bravo instalada en la ciudad de MollendoArequipa. Finalmente, en el Capítulo 7 se han tomado todos los parámetros que intervienen en el cálculo básico del Ciclo proyectado hacia un Ciclo Combinado, considerando las mejoras aplicadas en las modernas Centrales funcionando en la actualidad. En una sección aparte, al final del trabajo, presentamos nuestras conclusiones y recomendaciones. Se utiliza el Programa Enginnering Equation Solver (EES), como herramienta de cálculo, para el desarrollo del presente trabajo, dicho Programa permite manejar las variables que se presentan en el diseño de las Centrales de Ciclo Combinado. Este trabajo constituye un primer paso en el estudio de Centrales Térmicas de Ciclo Combinado para generación eléctrica, fundamentada en el análisis termodinámico; el siguiente es un análisis económico de dicha Central; de esta manera, se contribuye en una mejor operación de estos ciclos maximizando su eficiencia y optimizando su funcionamiento; asimismo, contribuir con la protección del medio ambiente ya que habrá menor cantidad de emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera mitigando el efecto invernadero que afecta nuestra planeta. A fin de garantizar la originalidad y correcta presentación de este trabajo de investigación, en las citas y referencias de las fuentes de información. xviii.

(20) consultadas, se ha utilizado las normas de la Asociación Americana de Psicología (APA) en su sexta edición (2010). Para la edición y organización del resto de la tesis, se ha utilizado una versión licenciada de Word de Microsoft Professional Plus 2013 y sus herramientas para referenciación automática con el estilo APA (Sexta edición). Además, se ha utilizado el Programa Enginnering Equation Solver (EES), como herramienta de cálculo, en su versión v 9.944-3D. Esto puede evidenciarse a lo largo del texto y en la parte final en la sección de Bibliografía.. xix.

(21) CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO 1.1. EL CONTEXTO DEL PROBLEMA Y SU RELEVANCIA La utilización de la energía eléctrica en el mundo cada día se incrementa por las necesidades que genera el hombre para su desarrollo y mejora de la calidad de vida. Las plantas termoeléctricas son el medio de esa transformación entre los recursos y la energía eléctrica. Por otro lado, en este caso los recursos agotables en su conversión contaminan el medio ambiente generando problemas de calentamiento global que amenazan la tierra en su conjunto. Se debe estudiar la manera de optimizar estos recursos y para ello se deben encontrar las condiciones adecuadas para una conversión más racional, eficiente y con menores impactos ambientales, por ello se hace un análisis desde el punto de vista termodinámico del comportamiento de estas variables utilizando herramientas informáticas que agilicen la obtención de estas condiciones. 1.2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Existe la necesidad de mejorar el funcionamiento de las Centrales termoeléctricas, específicamente de ciclo combinado utilizadas en nuestros días a fin de aprovechar al máximo la conversión de la energía que tienen los recursos energéticos naturales en energía eléctrica y se debe encontrar la combinación adecuada de todas las variables que intervienen en el cálculo de estas Centrales, para lo cual emplearemos un software el Programa Enginnering Equation Solver (EES)1.. 1.

(22) 1.3. JUSTIFICACION DEL USO DEL EES EN EL TRABAJO En la presente Investigación realizamos un análisis de las variables más importantes que intervienen en el cálculo de la eficiencia de una central de ciclo combinado, estudiando las ventajas, inconvenientes y limitaciones técnicas que se pueden presentar en su obtención, ya que como se indicó se justifica plenamente que se desarrollen trabajos de investigación que conlleven a un mejor aprovechamiento de los recursos naturales agotables y contaminantes en su transformación.1 Se justifica la utilización del programa EES (Enginnering Equation Solver) porque es un programa que resuelve ecuaciones de Ingeniería referidas a situaciones: -. Algebraicas. -. Diferenciales. -. Variables complejas. -. Optimización. -. Regresiones lineales y no-lineales Además, contempla otras posibilidades como:. -. Gráficos publicables. -. Cálculo de incertidumbres. -. Utilización de matrices. -. Cálculo lógico (If…Then..Else). La justificación de la utilización de este programa para el presente estudio también tiene que ver con las ventajas comparativas que ofrece sobre otros programas como el MAT LAB, Derive, Mat Cad, etc. ya que identifica y agrupa automáticamente ecuaciones dependientes y tiene una base de datos en su librería con funciones matemáticas y termodinámicas; de tal manera, que reduce el tiempo y esfuerzo en el cálculo de propiedades y en la solución de los sistemas. 1. Manual del EES Engineering Equation Solver. Edición 9.994 3D. 2.

(23) de ecuaciones, definiendo los niveles de diseño a alcanzar; así como estudios paramétricos. 1.4. DELIMITACIÓN DE LAS FRONTERAS DE TRABAJO Las fronteras de trabajo están básicamente centradas al análisis desde el punto de vista termodinámico de una central de ciclo combinado gas-vapor; existen otras posibilidades de análisis, por ejemplo, desde el punto de vista estrictamente económico o tal vez un análisis que pueda contemplar la combinación de otros ciclos simples que originen otros ciclos combinados como el Diésel-Rankine. Se escogió el ciclo combinado gas-vapor en el presente estudio porque representa el mayor tipo de combinación utilizado en nuestros días en el mundo y particularmente en nuestro país utilizando el gas natural como combustible, del cual se dispone en medianas cantidades. 1.5. OBJETIVO GENERAL Realizar el análisis termodinámico, utilizando el Programa Enginnering Equation Solver (EES), para buscar una alternativa que mejore las variables que intervienen en un Ciclo Combinado gas- vapor. 1.6. OBJETIVOS ESPECÍFICOS a) Precisar las variables que intervienen en el cálculo de las centrales termoeléctricas de ciclo combinado gas- vapor y jerarquizar dichas variables para analizar su influencia en los resultados, delimitando un rango determinado de aplicación. b) Resaltar. las. nuevas. tendencias. de. trabajo. de. las. Centrales. termoeléctricas de ciclo combinado gas-vapor, con respecto a sus conFig. ciones y niveles de presión utilizadas; así como los límites de los parámetros del ciclo.. 3.

(24) c) Demostrar la necesidad de utilizar software afines con el cálculo térmico como herramienta indispensable en la obtención de resultados y aprovechar la versatilidad de los mismos. d) Definir un procedimiento de cálculo para la mejora del funcionamiento de estas plantas. 1.7. HIPÓTESIS Si se realiza un análisis termodinámico de los parámetros del ciclo combinado gas-vapor empleando para ello herramientas informáticas capaces de desarrollar cálculos muy complejos, estudiando el comportamiento del cambio de las variables y seleccionando las condiciones óptimas de trabajo; entonces es posible obtener eficiencias más altas de estos ciclos y con ello poder disminuir los contaminantes atmosféricos 1.8. VARIABLES En el cálculo de una central termoeléctrica de ciclo combinado gas-vapor se presentan una diversidad de variables que se deben tener en cuenta en el análisis termodinámico para la optimización técnica y posteriormente económica. Podemos señalar las siguientes variables independientes2: -. Condiciones del aire de entrada, presión y temperatura.. -. Relación de presiones en el compresor del ciclo a gas.. -. Temperatura máxima de soporte en el ciclo.. -. Relación aire/combustible.. -. Tipo de combustibles: sus propiedades, poder calorífico, dificultades en su utilización, etc.. -. Temperatura de salida de los gases de escape del caldero, recuperación de calor (Heating Recovery Steam Generator HRSG).. -. Diferencia de temperatura entre el ciclo de alta, a gas y el ciclo baja temperatura, a vapor.. 2. Rolf Kehlhofer/Frank Hannemann/Franz Stirnimann/BertRukes. (2013).Combined-CycleGas Steam Turbine PowerPlants. USA.- 3rd Edition. Edit. PennWell.. 4.

(25) -. Arreglos que puedan presentar los equipos.. -. Condiciones del HRSG, trabajando con simple presión o con presiones variables.. -. Trabajo de aprovechamiento energético con post- combustión.. -. El approach point y el pinch point.. -. Utilización de post combustión.. -. Repotenciación de ciclos.. La variable dependiente: Eficiencia de los ciclos Combinados gas-vapor. 5.

(26) CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1. FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS DEL CICLOCOMBINADO GAS-VAPOR A finales del siglo pasado el mundo ha sido testigo de profundos cambios estructurales de las condiciones y fundamentos que regían la generación de energía eléctrica convencional en los países desarrollados. Se puede afirmar que ello se debe a dos causas fundamentalmente: -. La creciente liberalización de los mercados eléctricos; y. -. La creciente preocupación medioambiental por el cambio climático existente en las sociedades desarrolladas.. Se presentó un progresivo abandono de los esquemas regulatorios tradicionales debido a la liberación de los mercados eléctricos, volviéndose a sistemas con menores costos de inversión que han permitido incrementar la competitividad entre las empresas generadoras. El otro gran motivo de esta transformación, ha sido la mayor concientización existente por el cambio climático y el concepto de desarrollo sostenible, plasmado en iniciativas como la Cumbre de Río de Janeiro (1992), el Protocolo de Kyoto (1997), las reuniones de la COP, en Lima (2016) y en París (2017). Este último factor explica el inusitado incremento de la generación de energía eléctrica con fuentes renovables en la mayoría de los países desarrollados, al mismo tiempo que busca consolidar alternativas de generación con combustibles fósiles con una elevada eficiencia energética y bajos niveles de emisión de CO2, y gases contaminantes.. 6.

(27) Respecto al punto de mayores eficiencias y bajos niveles de emisión de gases contaminantes es donde la generación eléctrica en las Termo-centrales con ciclos combinados tiene especial importancia para cubrir una parte sustancial de la creciente demanda de energía eléctrica, presentando los menores impactos al medio ambiente3.. Fig. 1. Vista de una Central de Ciclo Combinado3 En el caso del Perú, tenemos que mencionar el mayor impulso que se viene dando en la política de protección del medio ambiente, desarrollo sostenible y ahorro energético respecto a la utilización de los combustibles fósiles. En los últimos años se están aprobando un mayor número de directivas de fomento de las energías renovables, de apoyo a la cogeneración y directivas que afectan a grandes instalaciones de combustión, limitando las emisiones de gases y partículas. Además de la prohibición del uso del gas natural para generadoras a gas de ciclo simple; todas deberán implementarse con. 3. Sabugal García, Santiago; Gómez Moñux, Florentino. (2014). Centrales térmicas de ciclo combinado, Teoría y proyecto. Madrid, España: Ediciones Díaz de Santos.. 7.

(28) combustible gas natural con ciclo combinado, es previsible además que las tendencias indicadas continúen y se consoliden en un futuro cercano. . Sistemas de Generación de energía eléctrica Podemos considerar en esencia tres tipos principales de generación,. según la fuente de energía primaria utilizada: -. Combustibles fósiles. -. Nuclear. -. Renovables. Se prevé que los combustibles fósiles sigan siendo la principal fuente de energía utilizada para la producción de electricidad en la próxima década, aunque parece consolidarse en escenarios futuros una menor presencia del carbón en favor del gas natural. Estos cambios son debido a las menores emisiones específicas de CO2 por kW-hr producidos con tecnologías con gas natural, pero también debido a una situación de mercado liberalizado, por las ventajas que presenta el gas natural frente al carbón en los costos de inversión, eficiencia energética, flexibilidad de operación y aceptación social a la hora de seleccionar la ubicación de instalar las termo-centrales. Por lo tanto, la generación de energía eléctrica con Ciclos Combinados se convierte en una alternativa de carácter masivo y a la vez distribuido, al ser posible la instalación de Centrales de este tipo próximas a los centros de consumo. En lo que referente a la eficiencia y a los costos de inversión de centrales basadas en combustibles fósiles, mientras una central de ciclo combinado con gas natural requiere una inversión de unos 750 €/kW y alcanza un rendimiento bruto alrededor del 60% a plena carga, una central térmica de carbón (incluso las dotadas con calderas supercríticas de última generación y sistemas de depuración de gases de combustión) tienen un rendimiento del orden del 45% con costes de inversión en el entorno de los 1000 €/kW.. 8.

(29) No significa esto último que las tecnologías basadas en el uso del carbón vayan a abandonarse, dada la importancia que tiene la seguridad en el abastecimiento energético, ya que las reservas de carbón son de más de 200 años, mientras que las del gas natural ascienden a menos de 100 años. Es previsible que el carbón siga teniendo un papel importante en la generación de energía eléctrica, máxime que se han desarrollado tecnologías económicamente viables de captura, confinamiento y valoración del CO2 para las plantas a carbón. En el Perú, la tendencia de uso es hacia el gas natural, dejando de lado la utilización del Diésel, ya que no se dispone reservas de este combustible. Es optimista el panorama de reservas probables y posibles que puedan revertirse en reservas probadas en el caso del gas natural. La energía hidráulica es previsible que tenga una expansión relativamente escasa, al menos en Europa y Estados Unidos, zonas donde se ha llegado casi al límite de explotación «sostenible». El agotamiento de emplazamientos posibles y la oposición social a la construcción de nuevos embalses o derivación de caudal en ríos hace que, a pesar de sus evidentes ventajas en lo que se refiere al costo de generación eléctrica y emisiones contaminantes a la atmósfera, no se prevean incrementos importantes en la capacidad hidráulica a instalar en estos países. En cambio, en nuestro país con respecto a la energía hidráulica el panorama es totalmente diferente, ya que se cuenta con reservas considerables de este tipo de energía tanto en la vertiente del Pacífico como la del Atlántico, estimándose en 60 000 MW de energía técnicamente aprovechable, de las cuales solo se tiene instalada alrededor de un 6%, siendo la mayor dificultad el recurso económico para sostener las inversiones requerida para tal fin. En lo que se refiere a la energía nuclear, a pesar de la ventaja que presenta frente a los combustibles fósiles por sus bajos costos variables y por la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero que su empleo supone, no tiene buenas perspectivas a corto plazo de constituirse en alternativa con incrementos significativos en la generación de energía eléctrica debido a la dificultad de. 9.

(30) almacenar los desechos radiactivos y a la férrea oposición que presentan los movimientos ecologistas en el mundo. En el Perú no se avizora planes de desarrollo sobre este tipo de energía debido a que no disponemos de recursos para su desarrollo y además por tener otras prioridades de explotación energética con otros tipos de recurso como se mencionó, la energía hidráulica y el desarrollo del gas natural. En el caso de fuentes de fuentes de energía renovables, estas son limpias, sostenibles y seguras traerán para las futuras generaciones de todas las regiones un desarrollo sostenible reduciendo la contaminación que afecta a nuestras ciudades y campos, no incrementan la acumulación de gases de efecto invernadero que origina el cambio climático. Presentan el problema que las condiciones de aprovechamiento de este tipo de energías no está en cualquier parte y en algunos casos aún representan costos unitarios por instalación de kW elevados. No obstante, estas ventajas evidentes no bastan para garantizar la producción de electricidad en las centrales eléctricas de energía renovable y su posterior distribución a los hogares y centros de consumo a través de la redes de transmisión, es necesario contar con el decidido apoyo de las autoridades públicas y de una política energética nacional adecuada y de disminución de los costos de equipos e instalación de los mismos. En el Perú también se está dando un fuerte impulso a este tipo de energías, específicamente la energía solar, eólica y geotermal. Existen las dos primeras plantas de generación de energía eléctrica a partir de la energía fotovoltaica solar en el Sur del Perú a nivel del Sudamérica, siendo las pioneras en este género. Se tienen potenciales recursos de energía eólica en algunos lugares de nuestro país al igual que el recurso geotérmico. El problema sigue siendo los. 10.

(31) altos costos que presentan la inversión en estas fuentes y la alta tecnología necesaria para su aprovechamiento4.. Fig. 2. Matriz energética del Perú según su origen (2017) Fuente: COES 2.2. EL CICLO DE CARNOT El ciclo termodinámico de referencia aplicado a un sistema termodinámico es el ciclo de Carnot, cuya representación en el diagrama T- s se muestra en la Fig. 3. El entendimiento de este ciclo resulta esencial, ya que cualquier ciclo termodinámico puede expresarse como una combinación de infinitos ciclos de Carnot elementales. En el ciclo de Carnot se tienen los siguientes procesos: . Compresión adiabática y reversible.. . Entrega de calor a temperatura constante desde la fuente.. . Expansión adiabática y reversible.. . Rechazo de calor a temperatura constante al sumidero.. 4. MINEM, Política Energética Nacional (D.S. N° 064-2010).. 11.

(32) Fig. 3. Representación del ciclo termodinámico de Carnot. La cantidad de calor Q aportada en el foco caliente viene dada por la expresión:. (2.1) Donde: Tc. ⇨. S2-3 ⇨. Temperatura del foco caliente; y Representa el incremento de entropía del sistema que se produce. en la etapa de absorción de calor. De manera análoga, la cantidad de calor cedida al foco frío viene dada por la siguiente expresión: (2.2) Donde: TF. ⇨. S4-1 ⇨. Temperatura del foco frío; y Representa la variación de entropía del sistema en el proceso de. rechazo de calor.. 12.

(33) El trabajo que proporciona el ciclo vendrá dado entonces por la diferencia entre QC y QF; y gráficamente corresponderá al área encerrada por las líneas del ciclo en el diagrama T-s de la Fig. 3 5. La expresión de la eficiencia del ciclo de Carnot, teniendo en cuenta que las variaciones de entropía entre los puntos 3 y 2 y entre los puntos 4 y 1 son iguales, vendrá dado por la siguiente expresión:. (2.3) Expresión que nos indica que, cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas entre los focos caliente y frío, mayor será la eficiencia del ciclo. El rendimiento así obtenido constituye el máximo alcanzable para cualquier ciclo termodinámico que trabaje entre esas temperaturas. 2.3. EL CICLO DE LAS TURBINAS A GAS El impulso de los ciclos combinados gas-vapor está relacionado fundamentalmente al avance tecnológico de las turbinas de gas, siendo la teoría del perfil aerodinámico (Griffith, 1926) un hito que permitió una mejor comprensión de los fenómenos que tenían lugar en el interior de las máquinas, la construcción de álabes con menores pérdidas y el aumento de los rendimientos de los compresores empleados. En nuestros días, las altas eficiencias alcanzadas, junto con sus bajas emisiones contaminantes y la mejora en las redes de distribución de gas natural, han incrementado su empleo en centrales de ciclo combinado gas-vapor. La turbina de gas de una central de ciclo combinado gas-vapor es una turbina de gas de ciclo abierto y termodinámicamente es una aplicación del Ciclo Brayton. La secuencia que sigue el fluido se muestra en el diagrama T - s de la Fig. 4. 6 y consta básicamente de los siguientes procesos:. 5. Sabugal García, Santiago; Gómez Moñux, Florentino. (2014). Centrales térmicas de ciclo combinado. Teoría y proyecto, Madrid: Ediciones Díaz de Santos.. 13.

(34) 1 ⇨ 2 Proceso de compresión isoentrópico, efectuada en el compresor. 2 ⇨ 3 Proceso isobárico de entrega de calor al ciclo. 3 ⇨ 4 Proceso de expansión isoentrópica, en la turbina. 4 ⇨ 1 Proceso de rechazo de calor a presión constante.. Fig. 4. Elementos constitutivos principales de las turbinas de gas. Representación gráfica del trabajo a) Ciclo ideal isentrópico; b) Ciclo real;. 14.

(35) c) Aproximación al ciclo de Carnot a partir de las temperaturas medias de foco caliente y frío de un ciclo real. En la práctica la entrega de calor puede efectuarse, bien mediante un proceso de combustión en el interior de la máquina, en lo que se denomina la cámara de combustión de la turbina de gas, o aportando gases calientes en un proceso de gasificación integrada de carbón (IGCC), lechos fluidos presurizados, etc. La cantidad de calor 𝑄𝑐+ aportada en el foco caliente, de manera análoga a lo expuesto para el ciclo de Carnot, y teniendo en cuenta que la temperatura no se mantiene constante durante el proceso, viene dada por la expresión:. (2.4) Y de forma análoga, la cantidad de calor cedida en el foco frío viene dada por la siguiente: (2.5) Al no mantenerse constantes las temperaturas en los procesos de aportación y cesión de calor, los conceptos de foco caliente y foco frío no tienen el significado utilizado en el ciclo de Carnot. Sin embargo, es posible definir una temperatura media de foco tal que la aportación o cesión de calor total realizada en el ciclo sea la misma que una ideal efectuada a esa temperatura media y para ese mismo incremento de entropía, esto es:. (2.6). (2.7) Donde: TC. ⇨. Temperatura media del foco caliente.. TF. ⇨. Temperaturas media del foco frío. 15.

(36) El trabajo que proporciona el ciclo, suponiendo que las pérdidas de calor son despreciables, vendrá dado entonces por la diferencia entre y QC y QF. Gráficamente correspondería de forma aproximada al área encerrada por las líneas de evolución del fluido en el diagrama T– s. La. expresión. del. rendimiento. para. compresiones. y. expansiones. isoentrópicas es análoga a la del ciclo de Carnot con las temperaturas medias de los focos, esto es:. (2.8) La eficiencia de la turbina de gas puede expresarse también en función de los saltos de entalpía de las máquinas que la componen y de la energía aportada en forma de combustible, según se muestra de forma simplificada en la fórmula siguiente:. (2.9) Donde: WT ⇨ Potencia generada en el proceso de expansión. WT ⇨ Potencia necesaria para comprimir el aire. mf ⇨ Masa de combustible introducida en la cámara de combustión por unidad de tiempo. Hc ⇨ Poder calorífico inferior a presión constante del combustible. ma⇨ Masa de aire; y h10, h20, h30, h40 ⇨ Entalpías en cada uno de los puntos por los que evoluciona el fluido en el ciclo. El valor de la eficiencia se encuentra alrededor de 42% para las turbinas comerciales actuales empleadas en ciclos combinados gas-vapor. La fórmula anterior establece además otro aspecto importante en el comportamiento de las turbinas de gas, es que parte de la energía obtenida por 16.

(37) la expansión del fluido debe emplearse necesariamente en el accionamiento del compresor. Al cociente entre la potencia neta obtenida en el eje de la turbina de gas y la generada en el proceso de expansión se le denomina factor de potencia y tiene por expresión:. (2.10) Factor que, en las turbinas de gas actuales, presenta un valor aproximado de 40%. Ello significa que un 60% de la energía generada en el proceso de expansión se emplea en el accionamiento del compresor (lo que muestra la importancia del empleo de compresores de alto rendimiento) tal y como se esquematiza en la Fig. 5.6. Fig. 5. Representación gráfica de los flujos de potencia generados en el proceso de expansión de la turbina de gas. La optimización del compresor es tecnológicamente más complicada que la optimización de la expansión en la turbina. La razón radica en que un compresor lleva el fluido desde su estado muerto, en equilibrio con el entorno a un estado alejado del mismo mayor presión y temperatura, mientras que en la expansión 6. Sabugal García, Santiago; Gómez Moñux, Florentino (2014). Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto. Madrid, España: Ediciones Díaz de Santos.. 17.

(38) del gas en la turbina el fluido evoluciona desde un estado de alta presión y temperatura a otro de escape de la turbina de gas, de mayor equilibrio con el entorno. En la actualidad las eficiencias de los compresores, a pesar del mayor número de etapas, están comprendido entre 89% a 91%, los cuales en general son inferiores a los rendimientos de las turbinas, que oscilan entre 91% a 93%. La expresión del rendimiento de la turbina de gas en función de las temperaturas medias de los focos caliente y frío permite explicar el hecho de que los nuevos diseños de las turbinas de gas vayan en la dirección de aumentar la presión del aire y la temperatura de combustión mediante mejoras en los compresores (álabes 3D, sistemas de cierres optimizados, etc.) y en las turbinas (capas de barreras térmicas, refrigeración por vapor, materiales refractarios, etc.) lo que implica un incremento en la temperatura media de aportación de calor, y por lo tanto una mejora en el rendimiento termodinámico del ciclo. De manera análoga, el rendimiento también puede incrementarse reduciendo la temperatura media del foco frío, empleando por ejemplo sistemas de enfriamiento del aire en la admisión del compresor. Todo ello posibilita el desarrollo reciente de ciclos combinados de mayores potencias y mejores rendimientos. Es importante destacar que las turbinas de gas empleadas en ciclos combinados gas-vapor se diseñan optimizadas para obtener una elevada densidad de potencia y el óptimo de eficiencia del conjunto del ciclo combinado. Si las turbinas de gas, para una misma temperatura en la cámara de combustión tuvieran relaciones de compresión en el compresor más elevadas, el rendimiento de la turbina de gas aumentaría (al aumentar la temperatura media de aportación de calor y al disminuir la temperatura media del foco frío) pero la temperatura en el escape disminuiría, tal y como se desprende de la Fig. 4. Para compensar la tendencia a la disminución en las temperaturas de escape (perjudicial para la recuperación de calor en la caldera), existen turbinas de gas en las que la combustión se realiza de forma secuencial (véase Fig. 6.). En estas turbinas, las mayores relaciones de compresión en el compresor, junto. 18.

(39) con el empleo de expansiones escalonadas, dan lugar a mayores rendimientos en el conjunto del ciclo combinado. La combustión secuencial supone por tanto un incremento de la temperatura media del foco caliente, el mantenimiento a cargas parciales de la temperatura de los gases de escape, una mayor recuperación de calor en la caldera y un mejor rendimiento del ciclo combinado en esas condiciones.. Fig. 6. Tendencia a la disminución de la temperatura del escape de la turbina de gas con el incremento de la relación de compresión del compresor.. Fig. 7. Esquema de principio y representación en un diagrama T- s de la combustión secuencial en las turbinas de gas.. 19.

(40) Fig. 8 Esquema de una turbina a gas (Internet).. 2.4. EL CICLO DE LAS TURBINAS A VAPOR Los antecedentes de las turbinas de vapor, tal y como las conocemos hoy día, se remontan al siglo XX con las turbinas De Laval (1883, primera turbina de acción). y. Parsons. (1884,. primera. turbina. de. reacción. de. varios. escalonamientos). Desde el inicio se observaron las ventajas que su aplicación presentaba en el campo de la generación eléctrica, con lo que su empleo en grupos estacionarios de gran potencia se realizó de forma generalizada poco tiempo después. Su utilización en ciclos combinados gas-vapor se deriva del excelente acoplamiento térmico existente con el ciclo de las turbinas de gas en los rangos actuales de temperaturas de trabajo y por los altos rendimientos que en conjunto posibilitan dichas tecnologías combinadas. El ciclo de las turbinas de vapor corresponde al ciclo de Rankine y es la aplicación tecnológica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su ejecución se produzcan cambios de fase. De forma simplificada, y para el ciclo básico, el fluido sigue los siguientes procesos:. 20.

(41)  Proceso de expansión del fluido en fase vapor, realizada en la turbina de vapor isentrópicamente.  Proceso isobárico a la salida de la turbina de vapor, de cesión de calor residual del vapor en el condensador. Acá se realiza la condensación total del mismo y su paso a fase líquida.  Proceso de elevación de la presión del fluido en una o varias etapas. Se realiza con la sustancia de trabajo en fase líquida, con bombas y fuera de la zona de la campana de saturación. Esta es una de las principales diferencias con el ciclo de Carnot ya que, en sentido estricto, para obtener la máxima eficiencia sería necesario realizar la compresión de un fluido bifásico, con la dificultad tecnológica que ello conlleva.  Proceso isobárico de entrega de calor al ciclo. El fluido realiza una etapa de calentamiento previo en fase líquida, un proceso de cambio de fase y una elevación posterior de la temperatura del vapor sobrecalentándolo (por la necesidad de disminuir la humedad en el vapor en las últimas etapas de expansión de la turbina). Esto último constituye la segunda particularidad del ciclo de Rankine y otra diferencia fundamental con el ciclo de Carnot. La sustancia de trabajo empleada suele ser agua desmineralizada, fundamentalmente por su facilidad de manejo, reposición y abundancia, aunque conceptualmente no es el único y podrían emplearse otros fluidos tales como mercurio o fluidos orgánicos. La estructura básica de un ciclo agua-vapor en su versión más sencilla, así como la evolución del fluido en un diagrama T- s, se esquematiza en la Fig. 9.. 21.

(42) Fig. 9. Representación en diagrama T- s del ciclo de las turbinas de vapor y de los equipos principales necesarios para su realización7. La cantidad de calor Qc aportada en el foco caliente, de manera análoga a lo expuesto para el ciclo de Carnot y para el ciclo de las turbinas de gas, viene dada por la expresión:. (2.11) De manera análoga, la siguiente expresión representa el calor cedido al foco frío:. (2.12) Siendo: TF ⇨ Temperatura de condensación, que se mantiene constante durante el proceso de rechazo de calor. Tc ⇨ Temperatura media de foco caliente, de manera análoga a las turbinas de gas, definida por la expresión siguiente:. 7. Sabugal García, Santiago; Gómez Moñux, Florentino. (2014). Centrales térmicas de ciclo combinado, Teoría y proyecto. Madrid, España: Ediciones Díaz de Santos.. 22.

(43) (2.13) El trabajo vendrá dado por la diferencia entre Q C y QF y también se corresponde para compresiones y expansiones isentrópicas con el área encerrada por las líneas de evolución del fluido. La expresión del rendimiento queda entonces como sigue:. (2.14) El rendimiento del ciclo de la turbina de vapor puede expresarse también en función de los saltos de entalpía de las máquinas que la componen y de la energía aportada en la caldera, según se muestra de forma simplificada en la fórmula siguiente:. (2.15) Donde: WT ⇨ Potencia generada en el proceso de expansión en la turbina de vapor. WB ⇨ Potencia necesaria para el bombeo del fluido mv ⇨ Masa de vapor que circula en el ciclo por unidad de tiempo; Qc ⇨ Calor que pasa al ciclo por unidad de tiempo a través de las paredes de los tubos de la caldera; y h1, h2, h3, h4 ⇨ Entalpías de los puntos de evolución del fluido en el ciclo. Esta eficiencia tiene un valor que se encuentra en el entorno de 36% a 46% para los ciclos de turbinas de vapor actuales. El concepto de factor de potencia empleado en turbinas de gas es generalizable para los ciclos de turbinas de vapor sustituyendo el trabajo de compresión del ciclo de las turbinas de gas por el de bombeo del ciclo de las turbinas de vapor. El valor de este parámetro sin embargo es mucho mayor que para los ciclos de las turbinas de gas, ya que el trabajo consumido en el proceso. 23.